Nafion基氧化還原聚合物在空氣中的電荷傳輸性能.pdf

1、氧化還原聚合物是一種新型有機(jī)電荷傳輸(既傳輸電子又傳輸空穴)材料。由Bard和Murray 提出的氧化還原聚合物，主要應(yīng)用于在溶液環(huán)境中工作的化學(xué)修飾電極。雖然Murray等后來(lái)合成了多種聚配合物氧化還原聚合物并且研究了其在固態(tài)下的電荷傳遞性質(zhì)，但是這些材料要求在極性的有機(jī)溶劑中工作，不適用于要求在空氣中工作的發(fā)光器件和太陽(yáng)能電池等光電器件。 鑒于以上問(wèn)題，本論文的工作重點(diǎn)是制備能在空氣中工作的新型的固態(tài)或者準(zhǔn)固態(tài)有機(jī)電荷傳輸材

2、料-Nafion基氧化還原聚合物，進(jìn)一步提高其電荷傳輸性能，及發(fā)展適用的傳荷性能表征方法。主要進(jìn)行了以下幾部分工作：(1)利用不同方法合成多種Nafion基氧化還原聚合物膜及用于表征其電荷傳輸性能的三明治電池，并且測(cè)量其基本物理參數(shù)；(2)利用三明治電池、采用循環(huán)伏安法和交流阻抗方法測(cè)定Nafion基氧化還原聚合物膜和電池的電荷傳輸性能。研究取得以下主要成果： 一、利用兩種方法合成Nafion基氧化還原聚合物膜 利用先成

3、膜后交換和先交換(同時(shí)加入PEG)后成膜兩種方法制備Nafion基氧化還原聚合物膜。Nation[M(bpy)32+](M=Ru,Fe)氧化還原聚合物固體膜的厚度約15μm，Nafion[M(bpy)32+，PEG](M=Ru,Fe)膜的平均厚度約為20μm。后一種方法制作的三明治的短路幾率顯著減小。Nafion膜中H+位濃度為-0.13 mol.L-1。 二、建立了利用三明治電池、采用循環(huán)伏安法和交流阻抗方法評(píng)價(jià)膜及電池的電荷

4、傳輸性能的方法。 (1)建立伏安法評(píng)價(jià)ITO/Nation[M(bpy)32+，PEG]/Au(M=Ru,Fe)三明治電池中Nation基氧化還原聚合物膜在大氣環(huán)境中工作的電荷傳輸性能的數(shù)據(jù)處理方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：兩種膜的表觀電荷傳遞擴(kuò)散系數(shù)的Dct和μ在數(shù)量級(jí)上比較接近，Dct為10-7～10-6cm2.s-1，電子或空穴遷移率μ為10-5～10-4 cm2.V-1.s-1。 (2)交流阻抗法研究表明：三明治電池的二個(gè)

5、電極具有相似的等效電路。等效電路包含電化學(xué)反應(yīng)電阻，Warburg阻抗和與界面雙層有關(guān)的常相位角元件，膜的體相表現(xiàn)為歐姆電阻。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：Nafion[Ru(bpy)32+，PEG]膜的Dct為10-8～10-7cm2.s-1，電子或空穴遷移率μ為10-7～10-6cm2·V-1·S-1。 (3)采用循環(huán)伏安法和交流阻抗法表征膜得到的Dct有一定的差異，主要因二種方法的測(cè)量過(guò)程中氧化位和還原位濃度不同。 三、在電極ITO與Na

6、fion基氧化還原聚合物膜界面引入了導(dǎo)電聚苯胺層以提高膜和電池的電荷傳輸性能。 (1)循環(huán)伏安方法結(jié)果表明：在電極ITO與Nation基氧化還原聚合物膜界面引入了導(dǎo)電聚苯胺層后ITO/PANI/Nafion[M(bpy)32+，PEG]/Au(M=Ru,Fe)固態(tài)三明治電池中的Nafion基氧化還原聚合物膜的Dct和μ均有不同程度的提高，且工作電流提高了近兩個(gè)數(shù)量級(jí)，其電荷傳輸性能與TPD等傳統(tǒng)的有機(jī)電荷傳輸材料接近。Nafio

7、n基氧化還原聚合物膜的性能比較穩(wěn)定，在空氣中30天后其Dct和μ的數(shù)量級(jí)相近，性能下降不大。 (2)交流阻抗法結(jié)果表明：電極ITO與氧化還原聚合物膜界面加入導(dǎo)電PANI層后，能有效地減少電池各個(gè)部分的阻抗，其中接觸阻抗消失、ITO電極上的電荷反應(yīng)電阻和Warburg阻抗減小。Nafion[Ru(bpy)32+，PEG]膜的Dct為10-7～10-6cm2·s-1，電子或空穴遷移率μ為lO-5～lO-4cm2·V-1·s-1。